25  紅外線技術的歷史

在西元 1800 年以前，人們尚未料想到電磁頻譜中有紅外線的部分。在 1800 年 Herschel 發現紅外線頻譜 (或通常僅稱為‘紅外線’)‎ 這種熱輻射時，和目前比起來可能有更深遠的意義。

Herschel 在搜尋新的光學材料時無意間發現了紅外線。William Herschel 爵士是英皇喬治三世的御用天文學家，早就以發現天王星的存在而聞名，當時他想要找到一種光學過濾材料，好在觀察太陽時降低太陽在望遠鏡中影像的亮度。他測試了不同的彩色玻璃樣本，這些樣本降低亮度的效果都差不多，而 Herschel 好奇的是，有些樣本只傳遞少量的太陽熱度，而其他卻傳遞大量的熱量，讓他才觀察幾秒鐘就差點造成視力損壞。

很快 Herschel 就相信有必要進行系統化的研究，目標在於找出一種可以按需要降低亮度的材料，而且也可以儘量降低熱度。他開始實驗的做法是實際重複牛頓的稜鏡實驗，但他著眼於加熱效果，而不是頻譜中強度的視覺分佈。他先用墨水塗黑很敏感的玻管水銀溫度計，用來當作輻射感測器，然後讓陽光通過稜鏡，在桌面上形成頻譜，再測試頻譜中不同顏色的加熱效果。其他放在陽光射線範圍外的溫度計則做為對照物。

將塗黑的溫度計慢慢移過頻譜的顏色時，溫度讀數顯示從紫色端到紅色端會穩定升高。這並不是全新的發現，因為義大利的科學家 Landriani 在 1777 年的類似實驗中就觀察到同樣的效果。不過 Herschel 卻是第一個認定加熱效果在某處一定會達到最大值的人，而限制在頻譜可見光部分內的測量法就無法找到這個地方。

Herschel 把溫度計移到頻譜紅色端以外的黑色區域時，確定溫度仍繼續增加。他找到最大值的點在紅色端的外面 – 這個區域就是今日所謂的「紅外線波長」。

當 Herschel 展示他的發現時，他把電磁頻譜這個新的部分稱為「溫度頻譜」。。而輻射本身則稱為「黑熱」或單單「不可見光」。而諷刺的是，和大多數人的推論相反，「紅外線」這個詞不是 Herschel 發明的。大約在 75 年後，才開始在書本中看到這個詞，不過是誰發明的還是不清楚。

Herschel 的最初實驗使用稜鏡中的玻璃，讓同時代的人質疑紅外線波長是否存在。其他的研究者為了證明這個實驗，任意使用其他類型的玻璃，在紅外線中會有不同的透明度。Herschel 在之後的實驗中發覺玻璃對新發現熱輻射的透明度有限，不得不斷定紅外線光學可能只限於反射元素的使用 (也就是平面或曲面的鏡子)‎。還好這到了 1830 年才被證實，當時義大利科學家 Melloni 有了重大的發現，天然產生的岩鹽 (NaCl)‎ – 可在天然結晶體中找到，這些結晶體夠大，可以製造鏡片和稜鏡 – 對於紅外線有明顯的透明度。結果，岩鹽成為主要的紅外線光學材料，其地位保持了幾百年不變，直到 1930 年代人們能夠掌握合成結晶體的培養技術為止。

把溫度計當作輻射感測器的方法到了 1829 年才有變化，當年 Nobili 發明了熱電偶 (Herschel 自己的溫度計可以讀到 0.2°C，而更新的型號可以讀到 0.05°C)‎。然後有了重大的突破；Melloni 串聯數個熱電偶形成了第一個溫差電堆。這個新裝置對於熱輻射的敏感度比當時最好的溫度計至少高出 40 倍 – 可以偵測到站在 3 公尺外某人發出的熱度。

第一個所謂的「熱圖」 在 1840 年成真，這是 John Herschel 爵士的工作成果，他的父親是發現紅外線的 William Herschel，而他自己也是有名的天文學家。把一層薄油暴露在聚焦其上的熱源模式時，油膜蒸發會產生差別性，因此就可以用反射光看到熱影像，這時油膜的干擾效果讓肉眼可以看到影像。John Herschel 也成功取得紙張上的熱影像原始記錄，他把這稱為「溫度記錄法」。

紅外線感測器的敏感度改善的進展十分緩慢。另一個主要的突破要歸功於 Langley，他在 1880 年發明了輻射熱測定器。這個裝置包含一條塗黑的細鉑片，連接到惠斯登電橋電路的一支臂上，在其上會聚焦紅外線，並收到敏感檢流計的回應。這項儀器據說可以偵測到 400 公尺外的牛體溫度。

一名英國科學家 James Dewar 爵士首先開始在低溫研究中採用液化空氣當作冷卻劑 (例如溫度為 -196°C 的液態氮)‎。他在 1892 年發明了獨特的真空絕緣容器，在其中可以把液化空氣保存好幾天。一般用來放冷熱飲的「保溫瓶」就是以他的發明為基礎。

在 1900 年到 1920 年之間，世界各地的發明家「發現了」紅外線。發出了很多裝置的專利，這些裝置可以偵測人員、大炮、飛機、船隻 – 或甚至冰山。就現代的觀點來看，最初的操作系統在第一次世界大戰期間開始發展，當時敵對的雙方都有專門研究紅外線軍事用途的計劃。這些計劃包含敵人侵入/偵測、遙遠溫度感應、安全通訊和「flying torpedo」飛彈制導的實驗性系統。在這段期間測試的紅外線搜尋系統可以偵測到 1.5 公里外正在接近的飛機，或 300 公尺距離以外的人。

當時最敏感的系統全都以輻射熱測定器的想法為基礎而變化，不過兩次大戰之間的期間發展出了兩項革新性新型紅外線感測器：影像轉換器和光子感測器。起初，影像轉換器最為軍隊所重視，因為首次在史上讓觀察員可以名副其實地「在黑暗中視物」。然而，影像轉換器的感受性限於最近的紅外線波長，而軍隊最在乎的目標 (也就是敵兵)‎ 必須用紅外線搜尋光束照射。而這麼做的危險是觀察員的位置會暴露給有類似配備的敵方觀察員，因此軍方對於影像轉換器的興趣最後也就消逝無蹤。

在第二次世界大戰後，所謂「主動」(也就是配備搜尋光束)‎ 熱影像成型系統的策略軍事負面條件促成許多秘密軍事紅外線研究計劃，探索是否有可能以非常敏感的光子感測器為中心，發展出「被動」(無搜尋光束)‎ 的系統。在這段期間，軍事機密規定讓紅外線影像成型技術完全無法外流。到了 1950 年代中期，才開始解除這種機密規定，自此民用科學和產業才能開始使用適當的熱影像成型裝置。